Thiết kế nguồn ổn áp xung

Thiết kế nguồn ổn áp xung Thiết kế nguồn ổn áp xung Thiết kế nguồn ổn áp xung luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Bùi Trung Kiên

THIẾT KẾ NGUỒN ỔN ÁP XUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội - Năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Bùi Trung Kiên

THIẾT KẾ NGUỒN ỔN ÁP XUNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN VŨ THẮNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế nguồn ổn áp xung” do

tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Vũ Thắng

Trong quá trình thiết kế luận văn, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo Nếu phát hiện có sử dụng các nguồn tài liệu khác tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

HỌC VIÊN

Bùi Trung Kiên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 10

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ÁP DC 13

1.1 Lý thuyết cơ bản về ổn áp 13

1.1.1 Khái niệm ổn áp 13

1.1.2 Thông số kỹ thuật 13

1.1.3 Phân loại nguồn ổn áp 14

1.2 Nguồn ổn áp tuyến tính 14

1.2.1 Khái niệm, cấu trúc và nguyên lý hoạt động 14

1.2.2 Một số mạch nguồn ổn áp tuyến tính 15

1.2.3 Hiệu suất hoạt động 23

1.2.4 Ứng dụng của nguồn tuyến tính 23

1.3 Khái niệm về mạch ổn áp kiểu xung 24

1.3.1 Nguyên lý chung 24

1.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung 25

1.3.3 Phương pháp điều chế độ rỗng xung 26

1.3.4 Phương pháp điều chế đồng thời độ rộng và độ rỗng xung 27

1.3.5 Phương pháp ổn áp xung sơ cấp 28

CHƯƠNG 2 NGUỒN ỔN ÁP XUNG 29

2.1 Sơ đồ khối nguồn xung 29

2.1.1 Mạch lọc xoay chiều 30

2.1.2 Mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp 30

2.1.3 Chuyển mạch điện tử 31

2.1.4 Mạch chỉnh lưu và lọc thứ cấp 32

2.1.5 Điều chế xung PWM 32

2.1.6 Biến áp xung 33

2.2 Một số vấn đề khác của mạch nguồn xung 46

2.2.1 Năng lượng tổn hao 46

2.2.2 Các chỉ tiêu quan tâm khi lựa chọn một nguồn xung biến đổi DC - DC 48 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ NGUỒN XUNG 24VDC/10A 50

3.1 Biến áp xung 50

3.1.1 Công suất vào 51

3.1.2 Điện thế nắn ngõ vào 51

3.1.3 Tính toán số vòng dây cuộn sơ cấp (cuộn dây 1-2) 51

3.1.4 Giá trị dòng điện 51

3.1.5 Tiết diện dây sơ cấp 52

3.1.6 Số vòng dây thứ cấp 52

3.1.7 Tiết diện dây thứ cấp 53

3.1.8 Tiết diện khung quấn dây 54

3.1.9 Biến áp cách ly 54

3.2 Mạch lọc xoay chiều, nắn lọc một chiều 54

3.2.1 Cầu diode 54

3.2.2.Tụ lọc 55

3.2.3 Tác dụng một số linh kiện trong mạch 55

3.2.4 Hoạt động nguồn 56

3.3 Mạch chỉnh lưu và bộ lọc ngõ ra 56

3.3.1 Mạch chỉnh lưu điện áp ra 56

3.3.2 Cuộn lọc ngõ ra (L0) 56

3.3.3.Tụ lọc ngõ ra (C0) 57

3.3.4 Nguồn 5V/1A 57

3.4 Mạch dao động tạo xung PWM 58

3.4.1 Tổng quan IC TL494/KA7500B 58

3.4.2 Mạch dao động tạo xung PWM dùng IC KA7500B 61

3.5 Cách ly 62

3.6 Chuyển mạch điện tử 63

3.7 Các mạch bảo vệ ngõ ra: 64

3.8 Sơ đồ tổng quát mạch nguồn xung 24VDC/10A 64

3.9 Kết quả kiểm tra mạch 68

3.9.1 Thiết bị sử dụng để kiểm tra mạch 68

3.9.2 Kết nối 70

3.9.3 Kết quả kiểm tra mạch 70

3.9.4 Dạng sóng 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Controller

Thiết bị điều khiển lập trình

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tác dụng của nguồn ổn áp ……… 13

Hình 1.2 Sơ đồ khối nguồn ổn áp tuyến tính ……….15

Hình 1.3 Mạch ổn áp dùng diode Zener 15

Hình 1.4 Mạch ổn áp tham số dùng transistor 16

Hình 1.5 Mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor có điều chỉnh 17

Hình 1.6 Sơ đồ tương đương và hình dáng 78XX 18

Hình 1.7 Mạch ổn áp nguồn đơn dùng 78xx 20

Hình 1.8 Hình dáng 79xx 20

Hình 1.9 Mạch ổn áp đơn dùng IC LM79xx 21

Hình 1.10 Sơ đồ chân 1 số ic thuộc họ LM317 21

Hình 1.11 Mạch điều chỉnh điện áp dùng LM317 22

Hình 1.12 Sơ đồ chân 1 số ic thuộc họ LM337 22

Hình 1.13 Mạch điều chỉnh điện áp dùng LM337 22

Hình 1.14 Mối liên hệ giữa tỷ lệ điện áp vào/ra với hiệu suất IC LM7805 23

Hình 1.15 Mạch ổn áp xung thứ cấp theo phương pháp điều chế độ rộng xung điều khiển 25

Hình 1.16 Phương pháp điều chế độ rộng xung nhờ 1 xung chuẩn dạng tam giác 26

Hình 1.17 Phương pháp điều chế độ rỗng xung 26

Hình 1.18 Phương pháp điều chế đồng thời tmở và tkhóa 27

Hình 1.19 Phương pháp ổn áp xung kiểu sơ cấp 28

Hình 2.1 Sơ đồ khối nguồn xung 29

Hình 2.2 Mạch lọc xoay chiều cơ bản 30

Hình 2.3 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu và dạng sóng điện áp, dòng điện… … 31

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp mạch chỉnh lưu cầu khi sử dụng tụ lọc……… 31

Hình 2.5 Sơ đồ chân chuyển mạch điện tử dùng 2SC2625……….… 31

Hình 2.6 Hình dáng một số loại diode xung cơ bản 32

Hình 2.7 Đồ thị điều chế dạng xung PWM 32

Hình 2.8 Hình dáng và kết cấu của biến áp xung kiểu 1 33

Hình 2.9 Hình dáng và kết cấu của biến áp xung kiểu 2 34

Hình 2.10 Ferrite core (TDK) ……… ……… 34

Hình 2.11 Sắp xếp cuộn dây chính……… ……… ………42

Hình 2.12 Cuộn dây chính……… ……… 43

Hình 2.13 Chu trình quấn để giảm sự biến thiên điện áp VCC……… …… 43

Hình 2.14 Quấn vòng quanh các cuộn dây khác……… … 44

Hình 2.15 Quấn dây quanh đầu ra khác……… …… 44

Hình 2.16 Quấn quanh co……… ……….45

Hình 2.17 Sắp xếp lá bảo vệ biến áp……… ………….45

Hình 2.18 Ví dụ quấn máy biến áp xung……… ……… 46

Hình 2.19 Đồ thị thể hiện hao phí do thành phần AC của Mosfet……… 47

Hình 2.20 Cải thiện hiệu suất cho mạch……… ……… 48

Hình 3.1 Các cuộn dây biến áp xung……… ………… 50

Hình 3.2 Kích cỡ lõi biến áp loại EE42/21/20……… ……… 50

Hình 3.3 Mạch lọc xoay chiều, nắn lọc một chiều……… 54

Hình 3.4 Mạch chỉnh lưu và lọc ngõ ra……… ………….57

Hình 3.5 Mạch ổn áp +5V từ nguồn +24V……… …… 58

Hình 3.6 Sơ đồ khối tiêu biểu TL494/KA7500……… ………… 58

Hình 3.7 Sơ đồ chân IC TL494/KA7500B……… ……… 59

Hình 3.8 Giản đồ thời gian……… ……… 60

Hình 3.9 Mối quan hệ giữa RT, CT và nhiệt độ……… ……… 61

Hình 3.10 Mạch tạo xung PWM dùng IC TL494/KA7500B…… ……… 62

Hình 3.11 Mạch cách ly dùng biến áp xung……… ……… 63

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn xung 24V/10A……… … 65

Hình 3.13 Mặt dưới (Bottom layer)……… ……… 66

Hình 3.14 Mặt trên (Top layer)……… ……… 66

Hình 3.15 Mạch nguồn 24VDC/10A……… ……… 67

Hình 3.16 Bộ nguồn 24VDC/10A……… ……… 67

Hình 3.17 Nguồn xung 24VDC/10A……… ………68

Hình 3.18 Đồng hồ đo điện Fluke 17B……… …….68

Hình 3.19 Máy hiện sóng Tektronix TDS3014C……… … 69

Hình 3.20 Động cơ DC 24V/1A……….……….69

Hình 3.21 Các thiết bị kiểm tra……… ………….……… 70

Hình 3.22 Dạng sóng tại chân 8 (11) của IC KA7500B………… ……… 72

Hình 3.23 Điện áp ngõ ra chưa chỉnh lưu……… 73

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số lớn nhất (Ta = 250C) với dòng IC LM78xx 18 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật điện (LM7805/LM7805R) 19 Bảng 2.1: Tổn thất lõi đối với các vật liệu cốt lõi khác nhau ở các tần số và mật độ đỉnh khác nhau 35 Bảng 2.2: Số loại lõi có thể thay đổi hình học 37 Bảng 2.3: Công suất đầu ra tối đa trong sơ đồ đổi điện bán cầu hoặc toàn cầu… 40 Bảng 3.1 Kết quả khi kiểm tra nguồn xung với trường hợp không tải 70 Bảng 3.2 Kết quả khi kiểm tra nguồn xung với trường hợp sử dụng tải động

cơ DC 24V/1A 71

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Mọi mạch điện tử đều hoạt động bằng một nguồn điện đẳng áp (điện áp không đổi) nào đó Nguồn cấp phải duy trì điện áp đầu ra ở một mức nào đó (5V, 12V, 24V…) kể cả khi điện áp đầu vào thay đổi, hoặc dòng đầu ra thay đổi

Vậy nguồn cấp ảnh hưởng thế nào tới mạch điện của chúng ta, ví dụ với các thiết bị điện tử hoạt động dạng số như là PLC thì các mạch điện tử hoạt động dựa trên mức logic 0,1 Các mức logic này được quy định bởi các mức điện áp, với mạch điện hoạt động ở nguồn 5V thì mức logic 0 được hiểu là điện áp từ 0 đến 0,7V; mức logic 1 được hiểu là điện áp từ 2 đến 5V Để mạch điện hoạt động ổn định thì điện áp cung cấp phải luôn được duy trì ổn định 5V để tránh bị nhiễu giữa các mức logic

Hiện nay trên thị trường thì các thiết bị PLC được sử dụng phổ biến cho nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, trong đó PLC S7 - 200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu module và có các module

mở rộng S7-200 thuộc nhóm PLC loại nhỏ, quản lý từ 6 đầu vào/4 đầu ra số (CPU221) đến 24 đầu vào/16 đầu ra số (CPU226) Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC Nguồn cấp PLC và đầu vào sử dụng mức điện áp 24VDC, thích hợp với các cảm biến Chính vì vậy việc có một nguồn cấp 24V DC ổn định để cấp cho PLC S7 – 200 cũng như các đầu vào của S 7 - 200 là rất quan trọng

Là một thành viên đang làm việc tại một trường dạy nghề, chuyên ngành về điện tử công nghiệp thì hiện nay nhà trường đang sử dụng PLC S7 - 200 để giảng dạy nên cần có một bộ nguồn DC 24V có đầu ra ổn định, gợn nhiễu nhỏ cấp cho PLC, vì vậy tôi lựa chọn thiết kế một bộ nguồn DC 24V

Với công nghệ điện tử hiện nay thì có 2 loại mạch nguồn DC được sử dụng và

ưu nhược điểm các loại mạch nguồn này:

- Nguồn tuyến tính (Analog): sử dụng các biến áp nguồn để chuyển năng lượng giữa 2 hoặc nhiều mạch thông qua cảm ứng điện từ Cảm ứng điện từ tạo ra một lực điện trong một dây dẫn được tiếp xúc với thời gian khác nhau qua từ

trường Nguồn biến áp được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp xoay chiều trong các ứng dụng năng lượng điện

Hiệu suất làm việc cao, giá thành sản phẩm rẻ, dải điện áp sơ cấp rộng, lấy

được nhiều mức điện áp một cách dễ dàng

Độ an toàn không thật sự cao, sảy ra sự cố khá nhiều, rất khó sửa chữa do bộ

nguồn thiết kế phức tạp, linh kiện thay thế ít, nhiều nhiễu

- Nguồn xung là một bộ nguồn có tác dụng chuyển từ dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều nhờ vào cơ chế dao động xung tạo mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung

Giá thành rẻ hơn so với một bộ nguồn biến áp có cùng công suất và chức năng, chiếm diện tích nhỏ Tích hợp dễ dàng cho những thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao Tuy nhiên chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao nên khó sửa chữa, thiết kế khá phức tạp

Trên cơ sở nghiên cứu hoạt động của các loại nguồn DC, để đáp ứng được các tiêu chuẩn về một bộ nguồn DC cấp cho PLC S7 - 200 và các đầu vào của PLC Xuất phát từ mục đích này, thiết kế để đạt được các mục tiêu về kỹ thuật:

- Nguồn hoạt động được ở các mức điện áp 90V ÷ 280V

- Nguồn ra DC: 2 mức + 24V cấp cho PLC, các cảm biến và +5V có thể cấp cho các mạch số

- Dòng làm việc tối đa: I = 10A

Với ý nghĩa đó tác giả lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ NGUỒN ỔN ÁP XUNG”

để làm đề tài luận văn thạc sĩ

Để thực hiện được luận văn này cần thực hiện các bước như sau:

- Phân tích các lý thuyết liên quan về bộ nguồn ổn áp DC để từ đó tìm ra được phương án tối ưu nhất khi thực hiện một bộ nguồn DC

- Từ lý thuyết sẽ thiết kế một bộ nguồn DC theo các tiêu chuẩn kỹ thuật đã đặt

ra

- Từ mạch điện nguyên lý sẽ thiết kế mạch in, gia công và hoàn thiện mạch in đạt các yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ

Trong luận văn bao gồm:

Chương 1: Giới thiệu chung về ổn áp DC, giới thiệu sơ lược về hai loại nguồn

ổn áp hiện nay là ổn áp tuyến tính và ổn áp xung

Chương 2: Nguồn ổn áp xung, giới thiệu cụ thể sơ đồ tổng quát của nguồn xung cần thiết kế, các mạch điện cụ thể trong nguồn xung và cách tính toán các thông số về biến áp xung

Chương 3: Tính toán, thiết kế nguồn xung 24V/10A, đây là chương quan trọng, đề cập đến cách tính toán, thiết kế mạch nguồn xung theo yêu cầu cũng như thông số kỹ thuật nguồn xung sau khi hoàn thành Đồng thời đưa ra các kết quả, giới thiệu về các thiết bị dùng trong việc kiểm tra mạch, các thông số của mạch sau kiểm tra

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ÁP DC 1.1 Lý thuyết cơ bản về ổn áp

Sự ổn định của nguồn cung cấp quyết định sự an toàn cho thiết bị, và tăng tính

ổn định, tính chính xác trong sự hoạt động Sự ổn định của nguồn làm tăng độ bền

và kéo dài tuổi thọ của thiết bị

Vì vậy sự điều chỉnh và ổn định các loại nguồn cung cấp là nhu cầu không thể thiếu được trong vận hành, khai thác các thiết bị điện và điện tử chuyên dụng và dân dụng

Mạch ổn áp một chiều có nhiệm vụ ổn định điện áp một chiều ở đầu ra của mạch khi điện áp một chiều ở đầu vào mạch thay đổi trong một phạm vi cho phép Mạch ổn áp một chiều thường đặt sau bộ chỉnh lưu và lọc

0

0 0



 Nguồn ổn áp

Hình 1.1 Tác dụng của nguồn ổn áp [3]

Vậy độ ổn định điện áp của bộ ổn áp:

idm

dm i i

U

V

V V

V N



P0 công suất có ích trên tải của bộ ổn định

Pi công suất mà bộ ổn định yêu cầu từ đầu vào

Pth công suất tổn hao trên bộ ổn định

- Thời gian xác lập Txl của bộ ổn định là khoảng thời gian cần thiết để đưa đại lượng không ổn định trên tải về giá trị định mức của nó kể từ thời điểm bắt đầu xảy

ra sự mất ổn định Ngày nay các bộ ổn định dùng linh kiện bán dẫn và IC, nên Txlcực nhỏ và được coi là không có quán tính

Phần tử cơ bản của bộ ổn định là phần tử hiệu chỉnh

1.1.3 Phân loại nguồn ổn áp

- Dựa theo cách mắc phần tử hiệu chỉnh với tải ta có các nguồn ổn áp song song, các nguồn ổn áp kiểu nối tiếp

- Nếu dựa theo dòng điện mà nguồn làm việc, ta có nguồn ổn áp xoay chiều, nguồn ổn áp một chiều

- Nếu dựa theo đặc tính làm việc của phần tử hiệu chỉnh ta có nguồn ổn áp kiểu liên tục (tuyến tính) và nguồn ổn áp kiểu ngắt quãng (ổn áp xung)

1.2 Nguồn ổn áp tuyến tính

1.2.1 Khái niệm, cấu trúc và nguyên lý hoạt động

- Nguồn tuyến tính (linear regulator): điện áp đầu vào sẽ rơi một phần trên phần tử công suất một lượng để đảm bảo duy trì điện áp đầu ra bằng hằng số Phần

tử công suất có thể là các transistor công suất hoặc các IC nguồn tuyến tính

- Sơ đồ của nguồn tuyến tính:

Hình 1.2 Sơ đồ khối nguồn ổn áp tuyến tính [3]

- Hoạt động mạch: một mạch phản hồi điện áp (Sense/Control Circuitry) sẽ điều chỉnh dòng I(v) sao cho I(v).RLOAD = const

Sơ đồ nguyên lý khối Voltage – Controlled Current Source như sau:

+

-+

Vo Vi

Ri

It Iz

Ii

Nếu Vi thay đổi thì dòng IZ cũng thay đổi nhưng nếu thiết kế sao cho IZmin < IZ

< IZmax thì VZ =const

Khi tải tiêu thụ dòng thấp It = Itmin , dòng Ii chủ yếu chảy qua DZ; ngược lại khitải tiêu thụ dòng cực đại It = Itmax , dòng qua DZ sẽ tối thiểu

Như vậy khi chọn Ri phải đảm bảo hai điều kiện sau:

+ Khi dòng tải cực đại It = Itmax, dòng qua DZ là IZ > IZmin để DZ vẫn ổn định điện áp VZ

+ Khi dòng tải cực tiểu It = Itmin, dòng qua DZ là IZ < IZmax để DZ không bị phá hỏng vì vượt quá công suất tiêu tán cho phép

Khi hở tải, It = 0, IZ = Ii , nghĩa là lúc đó DZ tiêu thụ dòng cực đại, do đó linh kiện ổn áp DZ phải gánh hầu như toàn bộ dòng vào trong trường hợp này

 điện áp rơi trên CE(Q1) tăng lên  V0 =Vi – VCE (Q1) là không đổi

- Khi Vi giảm, quá trình diễn ra tương tự nhưng ngược lại

1.2.2.3 Mạch ổn áp kiểu bù

Trong thực tế khi ta cần các nguồn một chiều có giá trị khác nhau nhưng vẫn được ổn áp thì ta có thể sử dụng mạch ổn áp dùng transistor nhưng thêm một biến trở VR để có thể điều chỉnh được điện áp ra

-+

a Sơ đồ mạch:

Hình 1.5 Mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor có điều chỉnh [3]

R1: Phân cực cho Q1 hoạt động, đồng thời là điện trở tải của Q2

DZ, R2: tạo điện áp chuẩn

R3, R4, VR: lấy điện áp từ V0 phân cực cho Q2

Q2: phần tử điều khiển dùng để so sánh điện áp hồi tiếp với điện áp chuẩn và khuếch đại sai lệch đó

Q1: BJT công suất dùng để điều chỉnh điện áp ra theo điện áp vào

b Nguyên lý hoạt động:

Khi đóng mạch, Q1 dẫn nên Q2 dẫn Ta có V0 = Vi - VCE1

- VS bằng một phần điện điện áp rơi trên cầu phân áp R3, R4, VR

Giả sử Vi tăng, V0 tăng tức thời, nên điện áp lấy mẫu VS tăng Điện áp VScũng chính là điện áp đưa vào cực nền B của Q2  Q2 dẫn mạnh  VCE2 giảm

Q1 dẫn yếu  VCE1 tăng, nên V0 giảm theo

- Giải thích tương tự khi Vi giảm

VR ở đây có tác dụng điều chỉnh điện áp VS cấp cho chân B(Q2), khi ta chỉnh

VR xuống phía dưới làm cho điện trở vế dưới VR giảm  VS giảm  VB2 giảm 

Q2 dẫn yếu  VCE2 tăng  Q1 dẫn mạnh nên V0 tăng lên

Ta thấy ở đây VR đã có tác dụng điều chỉnh điện áp ra V0 theo mong muốn

1.2.2.4 Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính

a Họ 78xx/79xx:

Q1

R2 R1

RL

Dz

+

-

Vi mạch 78xx/79xx có 3 cực: cực vào, cực ra và cực chung Mỗi loại vi mạch

như vậy được chế tạo theo các mức điện áp ra tiêu chuẩn dương hoặc âm

- Các vi mạch xx78xx được chế tạo với các mức điện ra tiêu chuẩn dương từ (+5  +24)V

Ví dụ: LM7805 ổn áp dương, điện áp ra là +5V

+ Sơ đồ chân: chân vào (input), chân ra (output), chân mass (GND)

Hình 1.6 Sơ đồ tương đương và hình dáng 78XX [7]

Bảng 1.1: Thông số lớn nhất (T a = 25 0 C) với dòng IC LM78xx [7]

Input Voltage (for VO= 5V to 18V)

Thermal Resistance Junction-Air (TO-220)

Mức kháng nhiệt tại điểm tiếp xúc không khí

Storage Temperature Range

Dải nhiệt độ bảo quản

TSTG -65  +150 0C

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật điện (LM7805/LM7805R) (0°C < T J < 125°C,

Output Voltage Drift

Điện áp trôi ngõ ra V0/T I0 = 5mA - -0.8 - mV/0C Output Noise

Điện áp rơi đầu ra

Output Resistance

Trở kháng ra r0 F = 1kHz - 15 - mΩ Short Circuit Current

Tụ C1, C2 dùng để lọc các gợn điện áp 1 chiều đầu vào và đầu ra mạch

- Các vi mạch xx79xx được chế tạo với các mức điện áp ra tiêu chuẩn âm, từ

Hình 1.9 Mạch ổn áp đơn dùng IC LM79xx [8]

Ở đầu vào và đầu ra có mắc các tụ C1, C2 có giá trị khoảng vài chục nF( hoặc vài µF) để nối tắt các xung nhiễu thời hạn ngắn để khỏi ảnh hưởng đến sự làm việc của vi mạch

b IC ổn áp 3 chân điều chỉnh được

- Tương tự như mạch ổn áp điều chỉnh được dùng transistor thì chúng ta đã chế tạo được các vi mạch ổn áp điều chỉnh được dùng LM

Một số loại IC điều chỉnh được điện áp ra:

+ LM317,T,W; LM217; LM117T: IC ổn áp điều chỉnh nguồn dương + LM337KS,T,TW; LM237; LM137T: IC ổn áp điều chỉnh nguồn âm + LM350 ổn áp nguồn dương; LM320 ổn áp nguồn âm

- IC LM 317:

Hình 1.10 Sơ đồ chân 1 số IC thuộc họ LM317 [9]

+ Loại IC này có điện áp ra điều khiển được từ 1,2 đến 37V, điện áp đầu vào lên tới 40V

+ Dòng điện ra có thể lên tới 1,5A

Input

0

C1 2.2uF

Hình 1.12 Sơ đồ chân IC thuộc họ LM337 [10]

Thông số kỹ thuật tương tự LM317 nhưng làm việc với điện áp âm + Mạch điều chỉnh điện áp dùng LM337/237/137

Hình 1.13 Mạch điều chỉnh điện áp dùng LM337 [10]

C1

10uF Vin

0

0

C2 0.1uF

D1

1N4002

Vout C3

1uF

5k

R1 240

0

R1 120

R2 5k

VOUT

-Vout

VOUT = −1,25 (1 + R2

120) + (−Iadj R2)

1.2.3 Hiệu suất hoạt động

- Dòng điện tải khi chạy qua phần tử công suất (transistor, IC nguồn tuyến tính) sẽ gây ra nhiệt, dòng tải càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều

- Để hiểu rõ hơn về hiệu suất nguồn tuyến tính, lấy ví dụ IC nguồn tuyến tính LM7805, với điện áp vào 12V, điện áp ra 5V Hiệu suất của LM7805 được tính như sau:

Hình 1.14 Mối liên hệ giữa tỷ lệ điện áp vào/ra với hiệu suất IC LM7805 [7]

Từ biểu đồ trên ta thấy trường hợp cho hiệu suất cao nhất là khi điện áp vào bằng điện áp ra, nhưng thực tế luôn có điện áp rơi trên phần tử công suất là transistor công suất, do đó điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn đầu vào

1.2.4 Ứng dụng của nguồn tuyến tính

- Sử dụng cho các ứng dụng đơn giản, chi phí thấp

- Sử dụng cho các ứng dụng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu như radio, truyền thông, dùng trong các ứng dụng đo lường yêu cầu độ chính xác cao Nguồn tuyến tính có ưu điểm là độ gợn sóng của điện áp đầu ra rất nhỏ (LM7805 là 45µV), các loại nguồn switching gần như không thể đạt được (thường cỡ vài mV)

- Ứng dụng cần đáp ứng đầu ra (transient response) nhanh khi điện áp đầu vào thay đổi liên tục

1.3 Khái niệm về mạch ổn áp kiểu xung

1.3.1 Nguyên lý chung

Đặc điểm quan trọng nhất của bộ ổn áp bù tuyến tính là sự sai lệch điện áp ra được đặt liên tục lên 1 transistor công suất để điều khiển, bù sai lệch này có giá trị

ổn áp ra sau bộ ổn định: V0 – V0od  Vimin

Với: Vimin – là giá trị nhỏ nhất của điện áp đưa tới bộ ổn định

V0od – là giá trị điện áp ra ổn định

Ở các bộ ổn áp xung người ta thay transistor điều khiển bằng một bộ chuyển mạch xung Trị số trung bình (một chiều) của điện áp ở ngõ ra được điều chỉnh nhờ việc đóng hay mở chuyển mạch theo một chu kỳ xác định và thời gian đóng hay mở

có thể điều chỉnh theo mức độ sai lệch của V0 Nếu đặt bộ chuyển mạch điện tử ở mạch thứ cấp của biến áp nguồn ta nhận được bộ ổn áp xung thứ cấp Trong trường hợp ngược lại nếu ở mạch sơ cấp ta có mạch xung sơ cấp

Để giảm nhỏ công suất tổn hao của biến áp, người ta chọn tần số làm việc của chuyển mạch cao (vài kHz đến vài chục kHz) Bằng cách đó kích thước, trọng lượng biến áp giảm vài lần và hiệu suất năng lượng chung của bộ ổn áp có thể đạt tới 80%

Các chuyển mạch điện tử là các transistor công suất làm việc ở chế độ xung Việc điều khiển đóng mở transistor được thực hiện nhờ một xung vuông đưa tới Base (hoặc Gate), có chu kỳ xung không đổi Tồn tại ba khả năng điều khiển transistor chuyển mạch là:

- Thay đổi bề rộng xung vuông (tương ứng với thời gian mở của transistor) theo mức sai lệch của V0 nhờ đó điều chỉnh được điện áp ra ở mức độ ổn định

- Thay đổi độ rỗng của xung vuông (tương ứng với thời gian khóa của transistor)

- Thay đổi đồng thời cả bề rộng và độ rỗng của xung điều khiển

1.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung

Sơ đồ khối phương pháp như trên hình 1.15

- Đặc điểm kết cấu của phương pháp này là transistor chuyển mạch Q, cuộn chắn L và tải mắc nối tiếp nhau, diode D mắc song song với tải Transistor Q làm việc như một khóa điện tử mở hoặc khóa với tần số không đổi (khoảng 20kHz) do khối tạo xung nhịp của tầng điều khiển tạo ra

- Phần điều khiển thực hiện việc so sánh điện áp ra V0 với một điện áp chuẩn

VS (do khối tạo điện áp chuẩn tạo ra), kết quả sai lệch được khối khuếch đại so sánh khuếch đại sau đó điều chế độ rộng xung để tạo ra xung vuông có độ rộng thay đổi (tại khối tạo xung điều khiển) trước khi đưa tới khóa transistor để điều tiết thời gian

mở của nó

Trong khoảng thời gian nghỉ của xung điều khiển, dòng điện ra được đảm bảo nhờ tụ lọc C và cuộn chắn L Diode D dùng để ngăn ngừa việc xuất hiện điện áp tự cảm trên cuộn L quá lớn lúc khóa transistor chuyển từ mở sang khóa mà do đó bảo

vệ transistor

Hình 1.15 Mạch ổn áp xung thứ cấp theo phương pháp điều chế độ rộng xung

điều khiển [3]

Một trong những phương án đơn giản để điều chế độ rộng xung là dùng xung tam giác có chu kỳ và biên độ không đổi so sánh với điện áp cần ổn định như minh họa trên hình 1.16

Hình 1.16 Phương pháp điều chế độ rộng xung nhờ 1 xung chuẩn dạng tam

giác [3]

Việc phân tích chi tiết sơ đồ khối hình 1.15 qua giản đồ điện áp và dòng điện (tìm phương trình UL(t) và IL(t) qua đó xác định dòng tuyến tính IL(t) và UL(t)) cho phép rút ra các kết luận chính đối với phương pháp này là:

+ Tỷ số Ura/Uvào tỷ lệ với tmở/T Tức là dải điều chỉnh của điện áp ra ổn định nằm trong giới hạn 0 ÷ Uvào Điện áp ra sau bộ ổn áp luôn không lớn hơn điện áp vào

+ Dòng trung bình qua transistor chuyển mạch (là dòng điện vào) luôn luôn nhỏ hơn dòng ra tải: IV < Ira

+ Bộ ổn áp nhận năng lượng của mạch vào (Uvào dưới dạng không liên tục và chuyển năng lượng 1 chiều ra tải dưới dạng liên tục theo thời gian)

1.3.3 Phương pháp điều chế độ rỗng xung

Hình 1.17 Phương pháp điều chế độ rỗng xung [3]

Đặc điểm của phương pháp này là cuộn chắn L, diode bảo vệ D và tải mắc nối tiếp nhau Transistor chuyển mạch Q mắc song song với tải phân cách qua diode D Rút ra các nhận xét chính sau:

- Do sử dụng tính chất tự cảm của cuộn chắn L, có khả năng nhận được V0 >

Vì 0 tkhóa  T nên Vi  V0  tức là phương pháp này cho phép nhận được điện áp ra lớn hơn điện áp vào bộ ổn định hay dải điều chỉnh rộng hơn

Điều này có thể giải thích tóm tắt do có hiện tượng tích lũy năng lượng từ trường trong cuộn L lúc transistor mở (tương ứng với khoảng thời gian tmở = tx của xung) khi đó D khóa, ngắt tải khỏi mạch vào Khi transistor khóa (tương ứng với khoảng thời gian tnghỉ = tkhóa năng lượng của Vi kết hợp với năng lượng của VL qua diode) nạp cho tụ C và cung cấp V0 cho tải

- Năng lượng của nguồn Vi liên tục cung cấp cho bộ ổn áp (trên cuộn L) và việc truyền năng lượng ra tải xảy ra dưới dạng xung không liên tục

1.3.4 Phương pháp điều chế đồng thời độ rộng và độ rỗng xung

Hình 1.18 Phương pháp điều chế đồng thời t mở và t khóa [3]

Đặc điểm kết cấu ở đây là transistor chuyển mạch và diode mắc nối tiếp với tải, cuộn chắn L mắc song song với tải phân cách qua diode D

Khi transistor mở, dòng do Vi cung cấp cho cuộn L tích lũy năng lượng từ trường Diode lúc này khóa ngắt phần trước đó khỏi mạch tải, tụ C được nạp đầy từ trước phóng điện qua mạch tải, cung cấp V0

Khi transistor khóa (ứng với khoảng thời gian không có xung điều khiển), trên

L xuất hiện sức điện động tự cảm ngược chiều với Vi làm diode D mở giải phóng năng lượng từ cuộn L nạp cho C và cung cấp cho mạch tải

Qua việc phân tích có mấy biện pháp sau:

- Điện áp VL và VC ngược cực tính với Vi do đó tại đầu ra ta nhận được điện

áp trên tải ngược cực tính với Vi hay bộ ổn áp có tác dụng đảo dấu điện áp vào cần

khiÓn

C

Vo

Q

Vì tmở và tkhóa luôn biến đổi tỷ lệ ngược (do chu kỳ T là hằng số) nên dải cho phép nhận điện áp ra là 0  V0  ∞ hay phương pháp này cho khả năng điều chỉnh

V0 rộng nhất trong số ba phương pháp trình bày

- Năng lượng từ mạch ngoài cung cấp cho bộ ổn áp dưới dạng xung và bộ ổn

áp truyền năng lượng ra tải cũng dưới dạng xung

1.3.5 Phương pháp ổn áp xung sơ cấp

Sơ đồ khối thực hiện phương pháp ổn định sơ cấp cho trên hình 1.19

Mạch hình 1.19 hoạt động như sau: Điện áp lưới được chỉnh lưu trực tiếp bằng một mạch cầu tạo nên nguồn một chiều đối xứng cỡ 150V cung cấp cho hai transistor T1 và T2 được điều khiển theo kiểu đẩy kéo nhờ hai dãy xung điều khiển ngược pha nhau có tần số khoảng (5 ÷ 50)kHz Các xung điều khiển có độ rộng thay đổi theo quy luật của điện áp sai lệch của điện áp Ura (giống như phương pháp ổn định kiểu thứ cấp đã nói trên) Nhờ T1 và T2 điện áp U0 lần lượt được đưa tới 1 biến

áp xung và tải thứ cấp của nó qua một mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và 1 khâu lọc

LC, ta nhận được điện áp ra đã được ổn định

Hình 1.19 Phương pháp ổn áp xung kiểu sơ cấp [3]

Đặc điểm chính của phương pháp này là ở đây sử dụng biến áp xung làm việc

ở tần số cao nên kết cấu gọn và tổn hao nhỏ Mạch cách ly để phân cách điện thế giữa mạch thứ và sơ cấp bảo vệ khối điều khiển khỏi ảnh hưởng của ổn áp (thường dùng ghép biến áp hay ghép quang)

Điều lưu ý cuối cùng là trong tất cả các phương pháp đã nêu ta có thể thay thế khóa chuyển mạch transistor bằng các khóa tiristor Khi đó chỉ cần điều chỉnh thời điểm xuất hiện xung điều khiển mở cho tiristor nhờ các mạch tạo xung điều khiển thích hợp

CHƯƠNG 2 NGUỒN ỔN ÁP XUNG

Nguồn xung còn gọi là nguồn Swiching (ngắt mở) hay nguồn dải rộng, là nguồn có dòng điện đi qua biến áp thay đổi đột ngột tạo thành điện áp ra có dạng xung điện - gọi là nguồn xung Điện áp cung cấp cho nguồn là điện áp một chiều được ngắt mở tạo thành dòng điện xoay chiều cao tần đi qua biến áp Nguồn có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra dải rộng từ 90V đến 280V AC - gọi là nguồn dải rộng

Bất kể nguồn xung nào cũng có 3 mạch điện cơ bản sau đây:

- Mạch tạo dao động

- Mạch hồi tiếp để ổn định điện áp ra

- Mạch bảo vệ

2.1 Sơ đồ khối nguồn xung

Hình 2.1 Sơ đồ khối nguồn xung

- Nguồn xoay chiều đầu vào: hai mức là 110V hoặc 220V, tần số f = 50/60Hz

- Mạch lọc xoay chiều (Transient filtering): có nhiệm vụ lọc bỏ các xung nhiễu

công nghiệp tần số lớn

- Chỉnh lưu (Rectification): có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp xoay chiều

110/220V thành nguồn một chiều và lọc phẳng thành điện áp một chiều 300V

- Chuyển mạch (Switcher): công tắc đóng, ngắt có nhiệm vụ dẫn dòng điện sơ

cấp để cấp cho biến áp xung

- Biến áp xung (Transfomer): có nhiệm vụ biến xung điện áp bên sơ cấp thành các mức xung điện áp có giá trị nhỏ hơn ở bên thứ cấp

- Chỉnh lưu (Rectification): có nhiệm vụ chỉnh lưu xung điện áp xoay chiều được lấy sau biến áp xung thành các điện áp một chiều

- Bộ lọc (Filtering): Bộ lọc một chiều thứ cấp, sử dụng cuộn dây và tụ điện để lọc phẳng nguồn một chiều và loại bỏ các xung nhiễu bám theo nguồn một chiều

- Điều chỉnh PWM (PWM control): bộ điều chế xung PWM, có nhiệm vụ tạo

ra hai xung vuông ngược pha để điều khiển biến áp xung

- Cách ly (Isolator): biến áp cách ly giữa nguồn sơ cấp và thứ cấp nguồn xung 2.1.1 Mạch lọc xoay chiều

Mạch lọc xoay chiều : Có chức năng lọc bỏ nhiễu cao tần bám theo đường dây điện AC 220V, không để nhiễu lọt vào trong bộ nguồn gây hỏng linh kiện và gây nhiễu trên nguồn, các nhiễu này có thể là sấm sét, nhiễu công nghiệp …

Hình 2.2 Mạch lọc xoay chiều cơ bản

- CX1: Tụ lọc đầu vào, làm chập mạch các xung nhiễu công nghiệp tần số lớn

- L3: Cuộn cảm, ngăn chặn xung nhiễu tần số lớn không cho lọt vào nguồn

- CY1, CY2: Tụ thoát mass các xung nhiễu

2.1.2 Mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp

Mạch chỉnh lưu: Có chức năng chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành một chiều, sau đó điện áp một chiều sẽ được các tụ lọc, lọc thành điện áp bằng phẳng Ở trong phần này mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 220V hoặc 110V thành nguồn một chiều 300VDC cung cấp cho chuyển mạch điện tử

Thông thường có các dạng mạch chỉnh lưu không điều khiển như là chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ, chỉnh lưu một pha hình tia, chỉnh lưu cầu một pha, chỉnh

lưu ba pha… Nhưng với các mạch nguồn xung thì chỉnh lưu phần sơ cấp sử dụng chỉnh lưu cầu một pha

Hình 2.3 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu và dạng sóng điện áp, dòng điện [4]

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp mạch chỉnh lưu cầu khi sử dụng tụ lọc [4] 2.1.3 Chuyển mạch điện tử

Đây là linh kiện bán dẫn dùng như một công tắc chuyển mạch, đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện áp từ chân (+) của

tụ lọc cơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass

Hình 2.5 Sơ đồ chân chuyển mạch điện tử dùng 2SC2625 [11]

Hình 2.6 Hình dáng một số loại diode xung cơ bản 2.1.5 Điều chế xung PWM

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

Hình 2.7 Đồ thị điều chế dạng xung PWM

2.1.6 Biến áp xung

Biến áp xung là tải của công suất, tạo điện áp ra thứ cấp, đồng thời cách ly giữa hai khối sơ/thứ cấp để loại bỏ mass (điện áp cao) của sơ cấp bảo vệ tải và người sử dụng

Biến áp xung: Cấu tạo bao gồm các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống như biến áp thông thường, biến áp xung sử dụng lõi ferit Với cũng kích thước thì biến

áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần

Biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao

2.1.6.1 Một số hình dạng biến áp xung

- Lõi ferrite được sản xuất với kích cỡ tương đối nhỏ

- Hình dạng lõi khác nhau: hình chén, RM, EE, PQ, UU, UI, EI

- Các dạng lõi khác nhau của biến áp công suất

a Kiểu 1:

Hình 2.8 Hình dáng và kết cấu của biến áp xung kiểu 1 [2]

b Kiểu 2:

Hình 2.9 Hình dáng và kết cấu của biến áp xung kiểu 2 [2]

c Các kiểu lõi Ferrite:

Hình 2.10 Ferrite core (TDK) [2]

Bảng 2.1: Tổn thất lõi đối với các vật liệu cốt lõi khác nhau ở các tần số và

Magnetics Inc-R Magnetics Inc-P TDK-H7C1 TDK-H7C4 Siemens N27 Siemens N47

Bảng 2.2: Số loại lõi có thể thay đổi hình học [1]